Exploring Geospace Dynamics Through Ground Magnetic Perturbations during Substorms

Abstract

Dynamikken på dagsiden av ionosfæren styres hovedsakelig av samspillet mellom det interplanetære magnetfeltet (IMF) og jordens magnetfelt på dagsiden av magnetopausen, mens dynamikken på nattsiden hovedsakelig drives av prosesser i magnetohalen. Denne avhandlingen undersøker effekten av substormer på strømsystemet i ionosfæren på både dagsiden og nattsiden, under ulike orienteringer av IMF og i forskjellige sesonger. Våre statistiske analyser av bakkebaserte magnetfeltdata gir et nytt bilde av hvordan magnetohaleaktiviteter påvirker ionosfærens strømmer på dagsiden. Substormer som oppstår når IMF peker nordover gir en unik mulighet til å studere dette fordi koblingen med solvinden på dagsiden er redusert. Dette gjør at vi kan isolere effektene fra magnetohaleaktivitet. Våre funn viser en forsterkning i ionosfærestrømmer på dagsiden ettersom nattsidens aktivitet øker, noe som tyder på at nattsideaktivitet påvirker dagsiden under substormer med nordoverrettet IMF. Vi observerer også at lobe-celler blir mer tydelige etter at substormer har startet. Dette tyder på at endringer i formen til magnetosfæren under substormer gjør koblingen mellom lobene og solvinden mer effektiv.

I tillegg utforsker vi interhemisfæriske asymmetrier i ionosfæredynamikk. Vi viser at interhemisfæriske asymmetrier i ionosærestrømmer, indusert av IMF By og sesongforskjeller, blir sterkt redusert på nattsiden under substormer, men ikke på dagsiden. Denne forskjellen i respons mellom ionosfærestrømmer på dagsiden og nattsiden understreker viktigheten av å inkludere nattsidedynamikk i klimatologiske modeller av ionosfærestrømmer, som tradisjonelt har fokusert på oppstrømsparametere. Videre viser vi at posisjonen til nordlysutbrudd under substormer avhenger av geomagnetisk aktivitetsnivå før utbruddet, indikert ved AL-indeksen. Dette tyder på at gradienter i ionosfærisk konduktans fører til en forskyvning av dynamikken i magnetohalen mot kveldssiden. Tilsammen gir denne avhandlingen nye innsikter i hvordan substormer endrer ionosfæriske strømmer, og fremhever den dynamiske responsen fra ionosfæren på magnetosfæriske prosesser, og legger et grunnlag for fremtidig modelleringsarbeid som mer nøyaktig fanger opp koblingen mellom magnetosfæren og ionosfæren.

Ionospheric dayside dynamics are primarily controlled by the interaction between the Interplanetary Magnetic Field (IMF) and Earth’s magnetic field at the dayside magnetopause, while nightside ionospheric dynamics are mainly driven by magnetotail processes. This thesis investigates the impact of substorms on the ionospheric current system across dayside and nightside, under different orientations of IMF and across seasonal changes. By conducting superposed epoch analyses of ground magnetic field data, we offer a novel perspective on the influence of magnetotail activities on the behavior of the ionospheric currents on the dayside. Substorms occurring during northward IMF conditions offer a unique perspective on this because dayside reconnection is reduced, allowing for the isolation of magnetotail activity effects. Our findings reveal an enhancement in dayside ionospheric currents as the nightside activity increases, suggesting an impact of the nightside activity on the dayside dynamics during northward IMF substorms. We also observe that lobe cells become more pronounced post-onset, suggesting that the magnetospheric reconfiguration makes lobe reconnection more efficient.

Additionally, the study explores interhemispheric asymmetries in ionospheric dynamics. We show that during substorms, interhemispheric asymmetries induced by IMF By and dipole tilt reduce significantly in the nightside current, but this reduction is not observed in the dayside currents. This difference in response between the dayside and nightside ionospheric currents highlights the importance of integrating nightside dynamics into climatological models of ionospheric currents traditionally focused on upstream parameters. Furthermore, an investigation into auroral substorm onset locations uncovers that pre-substorm geomagnetic activity levels, as indicated by the AL index, significantly correlate with onset magnetic local time (MLT). This suggests that ionospheric conductance gradients lead to a duskward shift of magnetotail dynamics. By integrating these observations, the thesis offers novel insights into how substorms modulate ionospheric currents, highlighting the dynamic responses of the ionosphere to magnetospheric processes and laying a foundation for future modeling efforts that more accurately capture the magnetosphere-ionosphere coupling.